基于Matlab的模糊PID控制研究

摘 要： 以螺旋槳的電液比例閥控制系統(tǒng)為研究對象，針對被控對象的非時變性和時變性的特點(diǎn)，采用了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制策略；利用Matlab中Fuzzy和Simulink有機(jī)結(jié)合，方便的實(shí)現(xiàn)了模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)的仿真；得到了自適應(yīng)PID模糊控制比普通PID控制在被控對象上具有實(shí)時性好、穩(wěn)定性高的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 螺旋槳； 模糊PID控制； 電液比例閥； Matlab仿真

中圖分類號： TN710?34；TM571.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0165?03

0 引 言

電液比例閥系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于精度要求高的機(jī)械加工等行業(yè)，其傳統(tǒng)的控制方式大多采用常規(guī)的PID控制技術(shù)，它具有簡單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于電液比例閥系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，因而在控制性能要求高的場合往往不能滿足。其主要原因是電液比例系統(tǒng)在流體動力學(xué)及電磁轉(zhuǎn)換方面具有特殊性，是復(fù)雜的非線性高階系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難[1]。

因此，如何使PID控制更好的應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，并具有較好的智能性，是個值得研究的問題。基于以上原因，如果將基于規(guī)則的模糊控制用于PID控制器的設(shè)計(jì)，一方面可使PID控制器具有模糊控制的功能，又可使模糊控制具有確定的控制結(jié)構(gòu)，從而使所設(shè)計(jì)的控制器具有兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，同時又彌補(bǔ)對方的不足，達(dá)到既提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，又保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，從而確保良好的設(shè)備控制效果。

1 電液比例閥的模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

螺旋槳電液比例閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，可以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對參數(shù)自調(diào)整的要求[2]。利用模糊控制規(guī)則對參數(shù)進(jìn)行修改便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID系統(tǒng)[3]。如圖2所示。

在本系統(tǒng)中模糊控制器將是設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)樗暮脡膶⒅苯佑绊懙終I，KD和KP的選取，從而影響到系統(tǒng)的控制精度。

1.2 各變量隸屬函數(shù)的確定

由文獻(xiàn)[4]可知，根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，用于PID參數(shù)控制的模糊控制器采用二輸入三輸出的模糊控制器。以E和Ec為輸入語言變量，以KI，KD和KP為輸出語言變量。輸入語言變量的語言值均取為“負(fù)大”（NB）、“負(fù)中”（NM）、“負(fù)小”（NS）、“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）七種。輸出語言變量的語言值均取為“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）四種。將偏差E和偏差變化率Ec量化到（-3，3）的區(qū)域，輸出量化到（0，3）的區(qū)域內(nèi)，隸屬函數(shù)曲線如圖3，圖4所示。

1.3 模糊規(guī)則

由于控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)的選擇是否合理，通常不同的偏差E和偏差變化率Ec對PID控制器參數(shù)KP，KI，KD的整定要求不同。根據(jù)已有的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及參數(shù)KI，KP和KD對系統(tǒng)的輸出特性的影響關(guān)系，歸納出在一般情況下，不同的和時，被控過程對參數(shù)KI，KP和KD的自調(diào)整規(guī)則如下[5]：

（1）當(dāng)[E]較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)該取較大的KP。但為了避免由于開始時的偏差[E]的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD，同時為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和應(yīng)對積分作用加以限制通常取KI=0。

（2）當(dāng)偏差[E]處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些。這時， KD的取值對系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）當(dāng)偏差|E|較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)增加KP和KI的取值。同時為避免在系統(tǒng)的設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，KD值則根據(jù)|Ec|來確定：當(dāng)[Ec]較小時，KD可取值大些；[Ec]較大時，KD應(yīng)取小些。

由此，可以建立KP，KI，KD的模糊控制規(guī)則，見表1～表3。